一種回饋式電源負載設計

孫前雙，邱玉家

（揚州通信設備有限公司，江蘇揚州，225009）

0 引言

目前市場上有一些能量回饋負載產品，開始逐步代替傳統的檢測負載各種功能的電源出廠試驗，例如老化試驗、突加載、突斷載試驗、輸出精度特性試驗等等，有些產品也已經達到了比較好的性能。但是由于電源產品種類繁多，并且功能不同，存在著有很多問題，急需改進和開發，例如很多回饋負載依然屬于能耗型負載，未達到環保節約的目的，并且還有一些回饋負載功能模式簡單，不能滿足實際電源特殊的測試需要[1～2]。

故本論文研發了一種智能回饋負載，在滿足通用電源的測試的前提下，針對電源的特殊性，設計了適用于電源的智能回饋負載，滿足輸入/輸出電壓范圍、精度、并網質量、控制模式等需求。

1 系統總體分析

回饋式負載由兩級電路組成，如圖1 所示。

圖1 系統總圖

系統由前級電壓升壓部分和后級逆變部分組成。其能量流動方向為被測直流負載向電網方向流動。

2 系統各部分組成

首先對直流升壓電路進行分析，如圖2 所示。電路具有兩個功能，根據負載的要求的不同需要實現三種控制模式以及模式之間的切換；作為前級結構，對負載的電壓進行升壓，為后級實現并網做能量儲備。

圖2 系統前級升壓電路總圖

根據控制模式的需求參考量為指令電流、指令功率，以及指令電壓，通過選擇控制模塊對三種模式進行切換控制，產生相應的占空比，達到跟隨指令的目的。

為了進一步闡述模式切換的控制，如圖3 所示為選擇控制模塊的結構圖。其原理為：根據模式的選擇，進行內部自動切換，根據輸入端的不同計算出相應的指令進而對指令進行載波，通過滯環比較器得到PWM 波，對開關管進行控制獲得跟隨指令的作用。

圖3 選擇控制模塊內部控制原理

直流升壓原理在前文中已有闡述，同時相對應的電路參數上位已給出，并通過仿真進行了論證。前級升壓與后級逆變的連接點在直流母線，因此直流升壓與后續直流母線有著至關重要的聯系。前級的輸出對應著后級逆變的輸入，為了能夠逆變成功，需要把母線電壓穩定在高于電網幅值的數值，依靠前級電路的MOS2 管以及后級的電流來控制。

后級電路逆變整體結構如圖4 所示。前級與后級連接通過Ud 進行，負載通過升壓電路把能量匯集到直流母線上，逆變器通過直流母線回饋到電網側，能量的匯集與并網的能量需要達到一種動態平衡，對于母線的穩定起著至關重要的作用[3～5]。

圖4 系統后級電路總圖

3 系統仿真驗證

圖5 為整個系統的仿真圖，直流升壓模塊被封裝成Subsystems1 中的子模塊中，僅留出兩個輸出端子與后級逆變器進行連接，通過仿真軟件自帶的示波器進行并網電壓電流波形的顯示，同時通過仿真軟件的分析工具，對其有功功率、無功功率、功率因數以及點電流畸變率進行分析。

圖5 系統Simulink 仿真分析總圖

圖6 是對Subsystems1 內部結構的展開圖。被測電源用三相不控整流代替；在進行仿真時，MOS2 管除了需要根據直流母線電壓進行控制外，還需要考慮到占空比不能比MOS1 管的占空比大，所以添加了一個乘法器進行控制。對于負載不同模式的控制通過CONTROL Subsystems 進行實現，模塊進行了封裝，預留出該模塊的輸入輸出[6]，其內部結構如圖7 所示。

圖6 子模塊中電容儲能型Cuk 電路圖

圖7 CONTROL Subsystems 模塊中的控制結構

圖7 是整個系統的仿真搭建結構拓撲圖，下面進行仿真，并對仿真結果進行分析，以恒流模式為例。

仿真基本參數：仿真的時長：0.5s；算法：離散、ode23t；仿真步長：默認；控制周期：5e-8s；參考電流 ：38A。

圖8 中，第一個波形為被測電源的電壓輸出波形，第二張波形為直流母線的電壓波形圖，第三張圖為電流波形圖。可以從圖中得出，被測電源的電壓波動較大，但是輸出電流非常穩定，符合系統的設計要求。不足的地方是，直流母線在啟動階段有4%左右的波動，同時動態時間較長。電流動態響應時間較長，但基本能夠滿足系統的設計要求。

圖8 前級電路輸入電壓、電流、輸出電壓波形

圖9 中，波形為輸入電流，由于采用滯環電流控制方法，輸出波形為鋸齒狀，鋸齒幅度為滯環寬度，從圖中得出，輸入電流穩定在38.2A 左右，誤差符合設計要求，能夠實現恒流控制模式。

圖9 輸入電流波形細節

圖10 為并網電流與電網電壓的波形，在系統進入穩態階段后，電流呈現正弦波，并且與電網電壓同相位、同頻率，由此可以得出并網功率的無功功率較小，功率因數較高，同時電流諧波較小，實現了較高的并網電能質量。

圖10 輸入電網的電流與電網電壓波形

圖11 為單獨的并網電流，從圖中看出在0.075s 時出現了電流波動較大的現象，因為在此時直流母線出現了較大的波動導致并網電流的波動，在0.075 時，母線電壓降低導致并網失敗，電網功率進行的倒送現象。當直流母線穩定時，并網電流的波形呈現正弦波，并且幅值隨著母線電壓進行波動，最后趨于穩定狀態[7]。

圖11 并網電流波形

通過仿真軟件自帶的分析工具對波形進行分析，得出，并網電流的無功功率一直處于較低的水平，功率因數接近于1；電流總諧波在0.01 范圍內，此參數可以通過改變滯環寬度來進行調節[8～9]。通過采用Powergui 中的FFT 分析，得到結果如圖12 所示。

圖12 輸出波形的頻譜分析

通過FFT 分析可得出波形的頻譜，從頻譜中得出基波占據絕大多數份額，其余頻率集中在開關頻率附近，可以通過特定濾波器進行濾除。

改變CONTROL Subsystems 模塊中的CONTROL 的設置，可切換成恒功率模式進行驗證。恒功率模式為輸出功率為恒定值，因計算較為復雜，數據量較大，所以本仿真時間較小，但依舊能夠真實反映控制規律及控制效果，仿真波形如圖13 所示。

圖13 恒功率模式下被試電源輸出電壓、電流、功率

圖13 中，第一個波形為被測電源的電壓輸出波形，第二張波形為直流母線的電壓波形圖，第三張圖為輸出功率波形圖。通過波形可以看出電壓和電流的趨勢相反，因輸出功率為電流與電壓的成績，故以此來控制功率的恒定輸出。

圖14 的波形為輸出功率，因滯環控制的作用使得輸出波形為鋸齒狀，寬度范圍為滯環控制寬度。由圖可得輸出功率波形基本穩定，符合系統控制要求，滿足系統誤差。

圖14 電源輸出功率細節波形

圖15 波形為并網電流與電網電壓波形，從圖中可知并網電流與電網電壓的相位與頻率保持著嚴格的同步，保證了并網質量。具體并網電流如圖16 所示。

圖15 并網電壓電流波形

圖16 并網電流波形

從圖16 中看出并網電流呈現非常標準的正弦波，通過仿真軟件自帶的分析工具可得出功率因數以及電網諧波均滿足并網要求。

圖17 的波形為并網的功率波形，可得出并網的功率約為1000W，效率較低，并且波動較大，但未產生震蕩。最終被測電源的功率輸送到了電網中，完成了本系統功率回饋的功能。

圖17 輸送到電網的功率波形

綜合上述分析，通過仿真對系統的設計進行了驗證，并且從仿真波形以及效果得出本設計基本能夠滿足回饋功能，并且能夠切換三種控制模式，滿足各項指標的基本要求[10～11]。

4 結論

本文針對電源的測試進行設計，回饋負載具有三種控制模式。分為前級升壓模塊，后級逆變模塊，通過分析各個模塊的主要拓撲電路結構，以及主流的控制思想分別對各個模塊進行理論分析與仿真驗證。

根據電源的特性對前級控制模式的確定，以及控制算法的確定，并完成拓撲結構以及控制算法進行了仿真分析。確定了后級逆變模塊的拓撲結構，并選取了全橋逆變電路，以及附屬電路，主要包括隔離變壓器、濾波器等，并確定了控制算法。通過仿真驗證了所選取的主控電路以及器件參數的正確性。

最后對兩個模塊進行連接作為一個整體進行驗證仿真，同時通過波形來對并網電壓、電流、功率進行具體地分析，最終結論能夠實現設計的基本指標。